第2章+先進制造工藝技術(shù).ppt

1、第2章 先進制造工藝技術(shù),2.1 制造工藝技術(shù)概述 2.2 激光加工技術(shù) 2.3 高能束加工技術(shù) 2.4 超高速加工技術(shù) 2.5 超精密加工技術(shù) 2.6 微型機械加工技術(shù) 2.7 快速成形技術(shù),2.1 制造工藝技術(shù)概述,制造工藝技術(shù)是指將原材料轉(zhuǎn)化成具有一定幾何形狀、一定材料性能和精度要求的可用零件的一切過程和方法的總稱?，F(xiàn)代社會，機器和儀器在結(jié)構(gòu)上所表現(xiàn)出的多樣性是機械制造中采用多種工藝的產(chǎn)物。當代機械制造中采用幾千種工藝規(guī)程，涉及從簡單的毛坯車削到電子焊接、零件表面層注入新材料、自動化裝配等。機械制造工藝可以歸結(jié)為兩大類：電子工藝和通用機械制造工藝。,電子工藝包括電子元件、部件和裝置的制造

2、工藝。其中最具代表性、特殊性和最有前途的是：單晶生長工藝，晶片制造工藝，超大規(guī)模集成電路制造工藝，微電子器件工藝，光刻工藝，離子注入工藝，鍍膜工藝，電子束焊、激光焊、貴金屬釬焊等。 一般制造工藝過程可分為離散工藝過程和連續(xù)工藝過程；按對零件的作用效果可分為改變形態(tài)的工藝過程(如切削加工)、改變性態(tài)的工藝過程(如熱處理)和改變外觀性能的工藝過程(如電鍍)等；按零件的精密程度可分為普通工藝過程、精密工藝過程以及超精密工藝過程；按使用的工具及能量形式不同，又可分為常規(guī)工藝、特種工藝、復合工藝以及快速制造工藝等。由此可把材料加工工藝歸納為如圖2-1所示的分類。,圖2-1 材料加工工藝方法分類,1) 成

3、形工藝 成形工藝主要指將不定形的原材料(塊狀、顆粒狀、液態(tài)或固態(tài))轉(zhuǎn)化成所需形狀的工藝，例如鑄造、粉末冶金、塑料成形工藝。這類工藝主要用于獲得毛坯或不需再加工的制品，工藝過程中微粒子之間互相聚集。成形工藝的過程包括將原材料加熱使其變成液體，然后冷卻固化成一定形狀，或者使原材料的固體顆粒燒結(jié)、粘著在一起，由此而獲得工件(大多為毛坯)。成形工藝幾乎可以應(yīng)用于所有工程材料，主要用于制備各種具有復雜外形(或內(nèi)腔)或因為材料高硬度、高脆性、高強度而難以用其他方法生產(chǎn)的毛坯或工件。成形工藝的分類如圖2-2所示。,圖2-2 成形工藝的分類,2) 變形工藝 變形工藝主要指使工件的原始幾何形狀從一種狀態(tài)改變?yōu)榱?/p>

4、一種狀態(tài)，如鍛造、沖壓、軋制、擠壓、拉拔等。鍛造是讓加熱到一定溫度的金屬在沖擊力或壓力作用下產(chǎn)生較大塑性變形，形成所需要的工件形狀；沖壓則是利用模具使材料在壓力作用下產(chǎn)生變形或分離。變形工藝適用于鐵碳合金、不銹鋼、耐熱鋼、輕有色金屬、重有色金屬等。鍛造常用于一些重要毛坯(軸、齒輪等)的生產(chǎn)，沖壓制品在汽車、家用電器等行業(yè)有廣泛用途。,3) 切削工藝 機械制造系統(tǒng)中，切削和磨削是傳統(tǒng)的機械加工方法，材料的切削是制造過程的主要內(nèi)容，幾乎占全部工藝勞動量的1/3以上。切削與磨削加工是用刀具或砂輪在工件表層切去一層余量，使工件達到要求的尺寸精度、形狀、位置精度和表面質(zhì)量的加工方法。由于生產(chǎn)效率高，加工

5、成本低，能量消耗少，可以加工各種不同形狀、尺寸和精度要求的工件，因此，切削和磨削一直是工件精加工和最后成形的最重要手段。目前以至將來相當長的時期，切削、磨削仍然是獲得精密機械零件最主要的加工方法。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，近年來美國和日本每年消耗在切削和磨削方面的費用分別高達1千億美元和1萬億日元。,此外，國外在切削機理、切削優(yōu)化、難加工材料的切削技術(shù)、自動化生產(chǎn)中的刀具和工具管理系統(tǒng)等方面投入較大力量進行研究，并已取得很大成績。磨削加工技術(shù)與磨料、磨具的發(fā)展方向主要是高速和強力磨削、高精度磨削和成形磨削、高精度研磨拋光、超硬磨料(金剛石與立方氮化硼)磨削和砂帶磨削等。我國存在的差距主要是： (1) 刀

6、具材料方面：硬質(zhì)合金刀具品種較少，不能滿足需要；涂層刀具尚處于小批量試用階段；陶瓷刀具在我國刀具總量中所占比例不足1%，大大落后于國外；超硬刀具材料的應(yīng)用還處于開始階段。,(2) 切削加工技術(shù)方面：切削數(shù)據(jù)庫、自動化生產(chǎn)用刀具、切削刀具的CAD/CAM等方面的工作剛剛開始，對刀具管理系統(tǒng)的研究工作還沒有開始。 (3) 磨削加工技術(shù)方面：高速磨削應(yīng)用不廣泛，磨削效率與國外相差很大；大吃深緩進給強力磨削方法在實際生產(chǎn)中極少使用；高精度研磨拋光技術(shù)遠遠落后于先進發(fā)達國家；超硬磨料磨削技術(shù)剛剛起步；砂帶磨削處于對現(xiàn)有機床進行改裝的階段，應(yīng)用不廣泛，且砂帶品種少，質(zhì)量有待提高。,4) 聯(lián)接工藝 聯(lián)接工藝

7、主要指將單個工件聯(lián)接成組件或最終產(chǎn)品，如機械聯(lián)接、焊接、粘接和裝配等工藝。制造時先分別加工單個零件，然后用聯(lián)接工藝將其結(jié)合成一個完整的產(chǎn)品。產(chǎn)品在使用、維護和修理時，經(jīng)常需要拆卸裝配，同樣離不開聯(lián)接工藝。 機械聯(lián)接包括螺栓聯(lián)接、鉚接和壓力聯(lián)接。螺栓聯(lián)接是利用螺栓、螺母、螺紋、銷等緊固件，形成可拆卸式機械聯(lián)接。鉚接是一種永久或半永久性機械聯(lián)接。壓力聯(lián)接一般用過盈裝配方式，如將內(nèi)件(例如軸)壓入加熱后膨脹狀態(tài)下的套件(例如齒輪孔、套筒)，冷卻后套件收縮而緊緊包在內(nèi)件上。利用材料一定范圍內(nèi)的彈性，將一個工件強行壓入另一個工件內(nèi)的壓力聯(lián)接工藝，可以獲得較高的聯(lián)接強度。,焊接是在制造系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用極為廣泛的

8、一種聯(lián)接工藝，是通過加熱或加壓或兩者并用(用或不用填充材料)使分離的兩部分金屬形成原子結(jié)合的一種永久性聯(lián)接方法。與鉚接比較，焊接具有節(jié)省材料，減輕重量，聯(lián)接質(zhì)量好，接頭密封性好，可承受高壓，簡化加工與裝配工序，縮短生產(chǎn)周期，易于實現(xiàn)機械化和自動化生產(chǎn)等優(yōu)點。但其有不可拆卸，會產(chǎn)生焊接變形、裂紋等缺陷。工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的焊接方法很多，常用焊接方法如圖2-3所示。,圖2-3 常用的焊接方法,5) 材料改性工藝及表面處理工藝 材料改性工藝及表面處理工藝是指不改變幾何形狀、僅改變工件材料性能，從而獲得所希望指標的工藝，如材料熱處理工藝等。上述的各種工藝都要改變工件的幾何形狀，以使其能夠具有一定的功能或能

9、承受一定的外載荷。調(diào)整材料性能的工藝(主要指熱處理)可以在不改變工件幾何形狀的前提下人為改變材料的顯微組織結(jié)構(gòu)，使工件具有所要求的物理機械性能。常用調(diào)整材料性能的工藝如圖2-4所示。,圖2-4 常用材料改性工藝及表面處理工藝方法,6) 特種加工工藝 特種加工就是利用化學、電化學、物理(聲、光、熱、磁)等方法對材料進行加工。特種加工工藝主要用于各種高硬難熔及具有特殊物理機械性能的材料和精密細小、形狀復雜、難以用傳統(tǒng)切削加工工藝加工的零件。與機械加工方法相比，它具有一系列特點，能解決大量普通機械加工方法難以解決甚至不能解決的問題。因而，自其產(chǎn)生以來得到迅速發(fā)展，并不斷充實與擴展機械制造工藝，促進工

10、藝水平的提高。隨著新材料的大量涌現(xiàn)，特種加工工藝也在不斷發(fā)展。,7) 快速成形工藝 快速成形工藝就是直接根據(jù)產(chǎn)品CAD的三維實體模型數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機處理后，將三維模型轉(zhuǎn)化為許多平面模型的疊加，再通過計算機控制、制造一系列平面模型并加以聯(lián)接，形成復雜的三維實體零件。采用快速成形工藝后，產(chǎn)品的研制周期可以顯著縮短，并可節(jié)省研制費用。 由于技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，新的制造工藝方法仍在不斷出現(xiàn)，這種分類方法也會不斷地改變。考慮到許多工藝方法已廣泛使用，本章只對一些新的先進制造工藝技術(shù)作一介紹。,2.2 激光加工技術(shù),2.2.1 激光加工的特點 激光也是一種光，其除了具有光的一般物性(如反射、折射、繞射及干

11、涉等)外，還具有四大特點：高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。這四大優(yōu)異特性是普通光源望塵莫及的，因此，這給激光加工帶來了如下一些其它方法所不具備的可貴特點：(1) 加工方法多、適應(yīng)性強。在同一臺設(shè)備上可完成切割、焊接、表面處理、打孔等多種加工；既可分步加工，又可在幾個工位同時進行加工；可加工各種材料，包括高硬度、高熔點、高強度及脆性、柔性材料；既可在大氣中進行加工，也可在真空中進行加工。,(2) 加工精度高，質(zhì)量好。對微型陀螺轉(zhuǎn)子采用激光動平衡技術(shù)，其平衡精度可達百分之一或千分之幾微米的質(zhì)量偏心值。由于高能量密度和非接觸式加工，以及作用時間短(即能量注入速率高)，因此工件熱變形小，且無機械

12、變形，對精密小零件的加工非常有利。 (3) 加工效率高，經(jīng)濟效益好。在某些情況下，用激光切割比傳統(tǒng)方式可提高效率810倍。用激光進行深熔焊接的生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)方式提高30倍。用激光微調(diào)薄膜電阻，可提高工效1000倍，提高精度12個量級。用激光強化電鍍，其金屬沉積率可提高1000倍。金剛石拉絲模用機械方法打孔需要24h，用YAG激光器打孔只需2s，提高工效43200倍。與其它打孔方法相比，激光打孔的費用節(jié)省25%75%，間接加工費用節(jié)省50%75%。與其它切割方法相比，激光切割鋼材降低費用70%90%。,(4) 節(jié)約能源與材料，無公害與污染。激光束的能量利用率為常規(guī)熱加工工藝的101000倍。激光

13、切割可節(jié)省15%30%。激光束不產(chǎn)生像電子束那樣的射線，無加工污染。 (5) 加工用的是激光束，無“刀具”磨損及切削力影響的問題。 激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行微加工的加工技術(shù)。激光加工技術(shù)是涉及光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術(shù)，它的研究范圍一般可分為：激光加工系統(tǒng)，包括激光器、導光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)；激光加工工藝，包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。,2.2.2 激光加工的現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 作為20世紀科學技術(shù)發(fā)展的主要標志和現(xiàn)代信息社會光電子技術(shù)的支柱之一，激光技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受

14、到世界先進國家的高度重視。激光加工應(yīng)用領(lǐng)域中，CO2(氣體)激光器以切割和焊接應(yīng)用最廣，分別占到70%和20%，表面處理則不到10%。而紅寶石(YAG)(固體)激光器的應(yīng)用則是以焊接、標記(50%)和切割(15%)為主。在美國和歐洲，CO2激光器占到了70%80%。我國激光加工中以切割為主的占10%，其中98%以上的CO2激光器功率在1.52kW范圍內(nèi)；而以熱處理為主的約占15%，大多數(shù)是利用激光處理汽車發(fā)動機的汽缸套。這項技術(shù)的經(jīng)濟性和社會效益都很高，有很大的市場前景。,國外激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出

15、功率已由5年前的400W提高到了8001000W，打孔峰值功率高達3050kW，打孔用的脈沖寬度越來越窄，重復頻率越來越高。激光器輸出參數(shù)的提高在很大程度上改善了打孔質(zhì)量，提高了打孔速度，也擴大了打孔的應(yīng)用范圍。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔技術(shù)的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及手表寶石軸承的生產(chǎn)中。,目前激光加工技術(shù)研究開發(fā)的重點可歸納為： 新一代工業(yè)激光器研究，目前處在技術(shù)上的更新時期，其標志是二極管泵浦全固態(tài)激光器的發(fā)展及應(yīng)用； 精細激光加工，在激光加工應(yīng)用統(tǒng)計中微細加工1996年只占6%，1997年翻了一倍達12%，1998年已增加到19%； 加工系統(tǒng)智能化，系統(tǒng)集成不僅是加工

16、本身，而是帶有實時檢測、反饋處理，隨著專家系統(tǒng)的建立，加工系統(tǒng)智能化已成為必然的發(fā)展趨勢。,激光技術(shù)在我國經(jīng)過30多年的發(fā)展，取得了上千項科技成果，許多已用于生產(chǎn)實踐，激光加工設(shè)備產(chǎn)量平均每年以20%的速度增長，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、提高產(chǎn)品質(zhì)量解決了許多問題，如激光毛化纖技術(shù)正在寶鋼、本鋼等大型鋼廠推廣，將改變我國汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進口的狀態(tài)，激光標記機與激光焊接機的質(zhì)量、功能、價格符合國內(nèi)目前市場的需求，市場占有率達90%以上。,激光加工技術(shù)存在的主要問題是：科研成果轉(zhuǎn)化為商品的能力差，許多有市場前景的成果停留在實驗室的樣機階段；激光加工系統(tǒng)的核心部件激光器的品種少、技術(shù)落后、可靠性

17、差；對加工技術(shù)的研究少，尤其對精細加工技術(shù)的研究更為薄弱，對紫外波激光進行加工的研究進行的極少；激光加工設(shè)備的可靠性、安全性、可維修性、配套性較差，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。,2.2.3 激光加工的基本原理 1) 激光 物質(zhì)由原子等微觀粒子組成，而原子由一個帶正電荷的原子核和若干個帶負電荷的電子組成。原子核所帶的正電荷與各電子所帶的負電荷之和在數(shù)量上是相等的。各個電子圍繞原子核作軌跡運動。電子的每一種運動狀態(tài)對應(yīng)著原子的一個內(nèi)部能量值，原子的內(nèi)能值一般是不連續(xù)的，稱為原子的能級。原子的最低能級稱為基態(tài)，能量比基態(tài)高的能級均稱為激發(fā)態(tài)。光和物質(zhì)的相互作用可歸納為光和原子的相互作用，這些作用會引起原

18、子所處能級狀態(tài)的變化。其過程主要有三種情況：光的自發(fā)發(fā)射、光的受激吸收和光的受激發(fā)射。,光的自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射都是原子從高能級躍遷到低能級而發(fā)射光子，但它們有很大差別。自發(fā)發(fā)射的光子射向四面八方，各光子之間的位相、偏振方向都是獨立的，沒有聯(lián)系，普通光源的發(fā)射都是自發(fā)發(fā)射。受激發(fā)射的光子與外來光子不但具有完全相同的發(fā)射方向和頻率，而且位相和偏振態(tài)也完全相同。這樣，受激發(fā)射過程就起到了增強入射光強度的作用。激光正是利用受激發(fā)射的這一特性，實現(xiàn)了光放大的目的，也就是說，激光就是由于受激發(fā)射而放大的光。激光和普通光在本質(zhì)上都是一種電磁波，但因其產(chǎn)生方法與普通光不同，因而與普通光相比，激光具有方向性強(

19、幾乎是一束平行準直的光束)、單色性好(光的頻率單一)、亮度非常高(比太陽表面的亮度還高1010倍)、能量高度集中、相干性好和閃光時間極短等特點。,2) 激光器 光和物質(zhì)體系相互作用時，總是同時存在著自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射三個過程。在正常情況下，物質(zhì)體系中處于低能級的原子數(shù)總比處于高能級的原子數(shù)多，這樣，吸收過程總是勝過受激過程。要使受激發(fā)射過程勝過吸收過程，實現(xiàn)光放大，就必須以外界激勵來破壞原來的粒子數(shù)分布，使處于低能級的粒子吸收外界能量躍遷到高能級，實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，即使高能級上的原子數(shù)多于低能級上的原子數(shù)，這個過程稱為激勵。激勵過程是所有激光器工作的基礎(chǔ)和核心。 激光器一般有三個基本

20、組成部分：工作物質(zhì)、諧振腔和激勵能源。圖2-5為紅寶石激光器結(jié)構(gòu)示意圖。,圖2-5 紅寶石激光器結(jié)構(gòu)示意圖,(1) 工作物質(zhì)：只有能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)才能作為激光器的工作物質(zhì)。并不是每種物質(zhì)都能在外界激勵下實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，主要看該物質(zhì)是否具有合適的能級結(jié)構(gòu)。在紅寶石激光器中，其工作物質(zhì)是一根紅寶石晶體棒，棒的兩端嚴格平行且垂直于棒軸。 (2) 諧振腔：主要作用是使工作物質(zhì)所產(chǎn)生的受激發(fā)射能建立起穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)，從而實現(xiàn)光放大。它由兩塊反射鏡(一塊為全反射鏡，另一塊為部分反射鏡)組成，各置于工作物質(zhì)的一端，并與工作物質(zhì)軸線垂直。激光從部分反射鏡一端輸出。,(3) 激勵能源：作用是把工作物質(zhì)中多

21、余一半的原子從低能級激發(fā)到高能級上，實現(xiàn)工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。其方法有電激發(fā)、光激發(fā)、熱激發(fā)和化學激發(fā)等。紅寶石激光器是以脈沖氙燈、電源及聚光器為激勵能源，聚光器是橢圓柱形的，其內(nèi)表面具有高反射率，脈沖氙燈和紅寶石晶體棒處于它的兩條焦線上。,激光器工作時，從電源的脈沖氙燈發(fā)出的光經(jīng)橢圓柱內(nèi)表面反射后聚到晶體棒上，工作物質(zhì)受到激勵能源的作用后，接收了外界能量，許多原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，但它們很快會回到基態(tài)。在這個過程中有一個中間激發(fā)態(tài)存在，即原子先躍遷到這一狀態(tài)，然后躍遷回基態(tài)。原子在中間狀態(tài)停留的時間比在激發(fā)態(tài)要長得多，因此又稱這一狀態(tài)為亞穩(wěn)態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)的存在使得處于這一狀態(tài)的原子數(shù)有可能比處于

22、基態(tài)的多。原子從亞穩(wěn)態(tài)躍遷回基態(tài)時自發(fā)發(fā)射光子，這些光子射向四面八方，其大部分光子很快逸出諧振腔，只有方向沿工作物質(zhì)軸向的光子因受到兩塊反射鏡的作用而來回反射，并且感應(yīng)出其他處于亞穩(wěn)態(tài)的原子受激發(fā)射。因為激勵能源的作用，工作物質(zhì)已經(jīng)實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所有受激發(fā)射過程使光波得到放大，放大的光波與起始的光波具有完全相同的性質(zhì)。當放大到一定程度時，腔內(nèi)光波的放大與損耗保持平衡，形成穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)，這時強大的光波就從諧振腔的部分反射鏡一端透射出來，這便是激光。,表2-1 激光器的種類,3) 激光加工的基本原理 激光加工就是利用激光器發(fā)射出來的具有高方向性和高亮度的激光，通過光學系統(tǒng)把激光束聚焦成一個極

23、小的光斑(直徑僅有幾微米或幾十微米)，使光斑處獲得極高的能量密度(1071011W/cm2)，達到上萬攝氏度的高溫，從而能在很短的時間內(nèi)使各種物質(zhì)熔化和汽化，達到蝕除工件材料的目的。,激光加工是一個高溫過程，就其機理而言，一般認為，當能量密度極高的激光照射在被加工表面時，光能被加工表面吸收并轉(zhuǎn)換成熱能，使照射斑點的局部區(qū)域迅速熔化甚至汽化蒸發(fā)，并形成小凹坑，同時開始熱擴散，結(jié)果使斑點周圍的金屬熔化。隨著激光能量的繼續(xù)吸收，凹坑中金屬蒸氣迅速膨脹，壓力突然增加，熔融物被爆炸性地高速噴射出來，其噴射所產(chǎn)生的反沖壓力又在工件內(nèi)部形成一個方向性很強的沖擊波。這樣，工件材料就在高溫熔融和沖擊波的作用下蝕

24、除了部分物質(zhì)，從而打出一個具有一定錐度的小孔。,2.2.4 激光加工的基本規(guī)律 盡管激光是具有高方向性并近似平行的光束，但它們?nèi)跃哂幸欢ǖ陌l(fā)散角(約為103rad)，這使得激光經(jīng)聚焦物鏡聚集在焦面上后形成仍有一定直徑的小斑點，且在小斑點上其能量的分布是不均勻的，而是按貝賽函數(shù)分布的(如圖2-6所示)。在光斑中心處光強度I0最大，相應(yīng)能量密度最高，遠離中心點的地方就逐漸減弱。而激光的波長和焦距直接影響光斑面積大小，即影響焦點中心處最大光強。同時，激光加工是一種熱加工，加工過程中有熱傳導損失，因此，增大激光束的功率也是增大焦點中心強度的主要措施?？梢?，影響激光加工的因素主要有激光器的輸出功率、焦距

25、和焦點位置、光斑內(nèi)能量分布及工件吸光特性等。,圖2-6 焦點面上的光強度分布,激光的輸出功率大、照射時間長時，工件所獲得的激光能量也大。但當激光能量一定時，照射時間太長會使熱量散失增多，時間太短則因功率密度過高而使蝕除物質(zhì)以高溫氣體噴出，這都會降低能量的使用效率。因此，激光照射時間一般為幾分之一毫秒到幾毫秒。 激光束發(fā)散角越小、聚焦物鏡焦距越短時，在焦面上可以獲得更小的光斑及更高的功率密度。所以，在加工時一般盡可能減小激光束發(fā)散角和采用短焦距(20mm左右)物鏡，只有在一些特殊情況下才選用較長的焦距。同時，焦點位置對于孔的形狀和深度都有很大影響。當焦點位置很低時(圖2-7(a)，透過工件表面的

26、光斑面積很大，這不僅會產(chǎn)生較大的喇叭口，而且因能量密度減小而影響加工深度，即增大了錐度。,圖2-7 焦點位置對孔剖面形狀的影響,光斑內(nèi)的能量分布狀態(tài)也是影響激光加工的重要因素。當能量分布以焦點為軸心越對稱 (如圖2-8(a)時，加工出的孔效果越好；越不對稱時，效果越差(圖2-8(b)。光的強度分布與工作物質(zhì)的光學均勻性及諧振腔調(diào)整精度直接相關(guān)。 用激光加工時，照射一次的加工深度僅為孔徑的五倍左右，且錐度較大。因此，常用激光多次照射來擴大深度和減小錐度，而孔徑幾乎不變。但孔深并不與照射次數(shù)成正比，因孔加工到一定深度后，由于孔內(nèi)壁的反射、透射以及激光的散射或吸收、拋出力減小、排屑困難等原因，使孔的

27、前端能量密度不斷減小，加工量逐漸減小，以致不能繼續(xù)打下去。,圖2-8 激光能量分布與孔加工質(zhì)量,2.2.5 激光加工的應(yīng)用 在激光加工中利用激光能量高度集中的特點，可以打孔、切割、雕刻及表面處理；利用激光的單色性還可以進行精密測量。 (1) 激光打孔。激光打孔是激光加工中應(yīng)用最早和應(yīng)用最廣泛的一種加工方法。利用凸鏡將激光在工件上聚焦，焦點處的高溫使材料瞬時熔化、汽化、蒸發(fā)，好像一個微型爆炸。汽化物質(zhì)以超音速噴射出來，它的反沖擊力在工件內(nèi)部形成一個向后的沖擊波，在此作用下將孔打出。激光打孔速度極快，效率極高，如用激光給手表的紅寶石軸承打孔，每秒鐘可加工1416個，合格率達99%。目前，激光打孔常

28、用于微細孔和超硬材料打孔，如柴油機噴嘴、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭、卷煙機上用的集流管等。,(2) 激光切割。激光切割與激光打孔原理基本相同，也是將激光能量聚集到很微小的范圍內(nèi)而把工件燒穿，但切割時需移動工件或激光束(一般移動工件)，沿切口連續(xù)打一排小孔即可把工件割開。激光可以切割金屬、陶瓷、半導體、布、紙、橡膠、木材等，切縫窄、效率高、操作方便。 (3) 激光焊接。激光焊接與激光打孔原理稍有不同，焊接時不需要那么高的能量密度使工件材料汽化蝕除，而只需將工件的加工區(qū)燒熔，使其粘合在一起。因此，激光焊接所需能量密度較低，可用小功率激光器。與其他焊接相比，激光焊接具有焊接時間短、效率高、無噴渣、被焊

29、材料不易氧化、熱影響區(qū)小等特點。激光焊接不僅能焊接同種材料，而且可以焊接不同種類的材料，甚至可以焊接金屬與非金屬材料。,(4) 激光的表面熱處理。利用激光對金屬工件表面進行掃描，從而引起工件表面金相組織發(fā)生變化，進而對工件表面進行表面淬火、粉末粘合等。用激光進行表面淬火時，工件表層的加熱速度極快，內(nèi)部受熱極少，工件不產(chǎn)生熱變形，特別適合于對齒輪、汽缸筒等形狀復雜的零件進行表面淬火，國外已應(yīng)用于自動線上對齒輪進行表面淬火。同時，由于不必用加熱爐，是開式的，故其也適合于大型零件的表面淬火。粉末粘合是在工件表層上用激光加熱后熔入其他元素，可提高和改善工件的綜合力學性能。此外，還可以利用激光除銹、消除

30、工件表面的沉積物等。,2.2.6 激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢 1) 優(yōu)化激光工作參數(shù) 建立加工作業(yè)標準和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，通過控制激光照射的能量密度和照射時間來實現(xiàn)多種類型的加工。例如，激光打孔和切割等以去除金屬為目的，利用的是金屬的蒸發(fā)現(xiàn)象，同時為了保證加工精度，要求照射時間能使加工部位快速蒸發(fā)，又能防止加工部位以外的金屬不致因傳熱而引起升溫或熔化；激光焊接時，要求在不致發(fā)生熱變形的短時間內(nèi)，使焊接部位的溫度盡可能超過金屬熔化溫度而又達不到金屬蒸發(fā)溫度；激光淬火時，要求溫度控制在金屬相變點以上、熔點以下的范圍內(nèi)，不同加工方法所需的激光能量密度和照射時間不同。為了充分發(fā)揮激光加工的優(yōu)點，需針對不同加工

31、對象和加工類型進一步優(yōu)化激光工作參數(shù)，以便能獲得高的效率和加工質(zhì)量。,2) 發(fā)展激光多工位分時綜合加工 根據(jù)激光加工的特點，利用同一激光源，通過靈活地控制能量密度和照射時間，在不同工位上分時實現(xiàn)多種方式加工，使一些工件的切割、打孔、刻劃、焊接和表面處理等可在一臺設(shè)備上集成地進行綜合加工。,3) 研究大功率、高壽命和小型化的激光裝置 提高激光功率需解決以下一系列問題： (1) 研制適用于大功率激光的光學器件材料。由于大功率激光束透過窗口材料和透鏡等光學器件時，它們要承受高壓的擊穿力，并因吸收激光使溫度上升而引起破壞，因此，應(yīng)根據(jù)不同的激光波長研制適用的光學器件材料。 (2) 提高電源的穩(wěn)定性和壽

32、命。對于CO2氣體激光器，要解決大功率激光器的放電穩(wěn)定性；對于YAG固體激光器，要研制大容量、長壽命的光泵激勵光源，如采用半導體光泵可使能量效率大幅度增長。,(3) 大功率激光裝置的小型化。同軸型CO2激光器結(jié)構(gòu)簡單，增益大而均勻，放電穩(wěn)定，為了加大輸出功率，需增加長度，雖可對激光管采用折疊式和應(yīng)用高速鼓風機來加速氣流進行改善，但功率增大仍受限制。雙軸直交型激光器增大了放電截面積，可以采用折疊式射束通道使外形縮小，但需超高速送風(50150m/s)的鼓風機，并要求反射鏡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防止光損失等。,2.3 高能束加工技術(shù),2.3.1 高能束加工技術(shù)概況,20世紀中葉以來，隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，對

33、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的要求日趨復雜，對產(chǎn)品性能的要求日益提高，特別是在航空、航天和軍事尖端技術(shù)中更為突出。有些產(chǎn)品要求具備很高的強度重量比；有些產(chǎn)品在精度、工作速度、功率及小型化方面要求很高；有些產(chǎn)品則要求在高溫、高壓和腐蝕環(huán)境中能可靠的進行工作。為了適應(yīng)以上要求，各種新結(jié)構(gòu)、新材料和復雜形狀的精密零件大量涌現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)形狀的復雜性、材料的可加工性以及加工精度和表面完整性方面的要求用一般機械加工是難以實現(xiàn)的，這就不斷地向加工技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。,高能束(Highen Energy Density Beam，HEDB)加工技術(shù)是利用高能量密度的束流(激光束、電子束、離子束)作為熱源，對材料或構(gòu)件進行加工的先進的

34、特種加工技術(shù)。高能束加工技術(shù)包括焊接、切割、打孔、噴涂、表面改性、刻蝕和精細加工等各類工藝方法，并已擴展到新型材料制備領(lǐng)域。高能束加工技術(shù)利用高能束熱源、高能量密度、可精密控制微焦點和高速掃描的技術(shù)特性，實現(xiàn)對材料和構(gòu)件的深穿透、高速加熱和高速冷卻的全方位加工，具有常規(guī)加工方法無可比擬的優(yōu)點，在高新技術(shù)和國防科技發(fā)展中占有重要地位。高能束加工技術(shù)是當今科技與制造技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是制造工藝發(fā)展的前沿領(lǐng)域和重要方向，也是航空、航天和軍事等尖端工業(yè)領(lǐng)域以及微電子等高新技術(shù)領(lǐng)域中必不可少的特種加工技術(shù)，被各工業(yè)發(fā)達國家譽為“21世紀加工技術(shù)”。高能束加工技術(shù)正朝著高精度、大功率、高速度及自動控制的方

35、向發(fā)展。,2.3.2 電子束加工技術(shù)的特點及應(yīng)用,1高速打孔 電子束打孔時，其功率密度必須提高到能使電子束擊中點的材料產(chǎn)生氣化蒸發(fā)。一般，功率密度的范圍為106109W/cm2。目前電子束打孔的最小直徑可達0.003mm，孔的深徑比可達1001，孔的內(nèi)側(cè)臂斜度約12。高速打孔是在工件運動中進行的，如在0.1mm厚的不銹鋼上加工直徑為0.2mm的孔，速度為3000孔/s；玻璃纖維噴絲頭要打6000個直徑為8mm、深度為3mm的孔，用電子束打孔可達20孔/s，比電火花加工快100倍左右。,在人造革、塑料上用電子束打大量微孔，可以使其具有真皮革那樣的透氣性。現(xiàn)在已生產(chǎn)出了專用的塑料打孔機，將電子槍發(fā)

36、射的片狀電子束分成數(shù)百條小電子束同時打孔，其速度可達50000孔/s，孔徑在40120m范圍內(nèi)可調(diào)。 用電子束在玻璃、陶瓷、寶石等脆性材料上打孔時，為了避免熱應(yīng)力引起的破裂，可用電爐或電子束進行預熱。用帶有電子束預熱裝置的雙槍電子束自動打孔機每小時可加工600顆寶石軸承。,2加工型孔及特殊表面 電子束可以用來切割或截割各種復雜型面，切口寬度為36m，邊緣粗糙度可控制在0.5m。在0.05mm厚的鋼板上加工寬為0.05mm、長為3mm的槽，僅需2030s。為了使人造纖維具有光澤、松軟、有彈性、透氣性好，噴絲頭的型孔都是一些特殊形狀的截面，出絲口的窄縫寬度為0.030.07mm，長度為0.8mm，

37、噴絲板厚度為0.6mm，用電子束加工后縫口光潔。 電子束還可以加工彎孔和立體曲面。利用電子束在磁場中偏轉(zhuǎn)的原理，使電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)，控制電子速度和磁場強度，即可控制曲率半徑，從而加工出彎曲的孔。如果同時改變電子束和工件的相對位置，則還可以進行切割和開槽等加工。,3電子束焊接 電子束焊接是電子束加工中開發(fā)較早且應(yīng)用較廣的技術(shù)。電子束焊接是通過材料的熔融和氣化使材料牢固地結(jié)合。 由于電子束的能量密度高，焊接速度快，因此電子束焊接的焊縫深而窄，且對焊件的熱影響小、變形小，可以在工件精加工后進行焊接。電子束焊一般不用焊條，焊接過程在真空中進行，因此焊縫化學成分純凈，焊接接頭的強度往往高于母材。電子

38、束焊接可以焊接難熔金屬，如鉭、鈮、鉬等，也可焊接鈦、鋯、鈾等化學性能活潑的金屬。它既可焊接很薄的工件，也可焊接幾百毫米厚的工件。電子束還能焊接一般焊接方法難以完成的異種金屬焊接。,4電子束刻蝕 在微電子器件生產(chǎn)中，為了制造多層固體組件，可利用電子束對陶瓷或半導體材料刻出許多微細溝槽和小孔，如在硅片上刻出寬2.5m，深0.25m的細槽。電子束刻蝕可在混合電路電阻的金屬鍍層上刻出40m寬的線條，還可以在加工過程中通過計算機自動控制對電阻值進行測量校準。 電子束刻蝕還可用于制版，在銅制印刷滾筒上按色調(diào)深淺刻出許多深淺、大小不一的溝槽和凹坑，其直徑為70120m，深度為540m，小坑代表淺色，大坑代表

39、深色。,5電子束光刻 用低功率密度的電子束照射工件表面雖不能引起表面的溫升，但入射電子與高分子材料的碰撞，會導致它們的分子鏈的切斷或重新聚合，從而使高分子材料的化學性質(zhì)和分子量產(chǎn)生變化，這種現(xiàn)象叫電子束的化學效應(yīng)，也稱為電子束曝光。利用這種效應(yīng)進行加工的方法叫電子束光刻。,進行電子束光刻之前，首先要在被刻蝕的工件表面涂上抗蝕劑(厚度0.01m)，形成掩膜層，然后在涂有掩膜層的工件表面上進行電子束曝光。電子束曝光裝置通過電場或磁場方便地完成電子束聚焦和移動電子束的照射點位置，且它對控制信號的響應(yīng)速度快，便于實現(xiàn)自動化控制。 電子束光刻可以實現(xiàn)精細圖形的寫圖或復印，目前仍然是LSI 與VLSI電路

40、的掩膜或基片圖形光刻的重要手段。,2.3.3 離子束加工技術(shù)的特點及應(yīng)用,1離子束加工的特點 離子束加工的特點如下所述： (1) 由于離子束可以通過光學系統(tǒng)進行聚焦掃描，離子束轟擊材料是逐層擊除原子，離子束流密度及離子能量可以精確控制，所以離子刻蝕可以達到納米(nm)級的加工精度，離子鍍膜可以控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度也可以極精確地控制?？梢哉f，離子束加工是最有前途的超精密和微細加工方法，是納米加工技術(shù)的基礎(chǔ)。,(2) 由于離子束加工是在真空中進行的，因此污染少，特別適用于對易氧化的金屬、合金材料和半導體材料的加工。 (3) 離子束是利用機械碰撞能量加工，故不論對金屬、非金屬都適

41、用。 (4) 由于是靠離子轟擊材料表面來去除或注入材料，是一種微觀作用，作用面積微小，因此，產(chǎn)生的加工應(yīng)力、熱變形等極小，加工表面質(zhì)量好。 (5) 易于實現(xiàn)自動化。 (6) 加工設(shè)備費用高、成本高、加工效率低，因此應(yīng)用范圍受到一定限制。,2離子束加工的應(yīng)用 1) 離子刻蝕加工 離子刻蝕加工是通過撞擊從工件上去除材料的過程。當離子束轟擊工件，入射離子的動能傳遞到靶原子，傳遞的能量超過原子間的鍵合力時，靶原子就從工件表面濺射出來，達到刻蝕的目的。為了避免入射離子與工件材料發(fā)生化學反應(yīng)，必須用惰性元素的離子。氬氣的原子序數(shù)高，而且價格便宜，所以，通常用氬離子進行轟擊刻蝕。由于離子直徑很小(約十分之幾

42、個納米)，因此可以認為離子刻蝕的過程是逐個原子剝離的?？涛g的分辨率可達亞微米級，但刻蝕速度很低，剝離速度大約每秒一層到幾十層原子。離子束刻蝕加工原理如圖2-9所示。,圖2-9 離子束刻蝕加工原理圖,刻蝕加工時，對離子入射能量、束流大小、離子入射角度以及工作室氣壓等能分別調(diào)節(jié)控制，可根據(jù)不同加工需要選擇參數(shù)。大多數(shù)材料在離子能量為300500eV時的刻蝕率最高。一般入射角4060時的刻蝕率最高。 離子刻蝕有極高的加工精度。一般加工誤差可以控制到5nm以下，可作為最終的精加工工序。例如，用20kV的加速電壓加速氬離子，轟擊已被機械磨光的玻璃，當離子濃度達到1018/cm2時，玻璃表面被剝離1m左右

43、，并形成極光滑表面。又如，用離子束轟擊厚0.2mm的玻璃，能改變其折射率分布，使之具有偏光作用。用離子束轟擊玻璃纖維后，玻璃纖維將變?yōu)榫哂胁煌凵渎实墓鈱Р牧?。在半導體工業(yè)中，用離子束代替化學腐蝕進行圖形的刻蝕，可大大提高刻蝕精度。,2) 離子鍍覆 離子鍍覆是將一定能量的離子束轟擊某種材料制成的靶，離子將靶材粒子擊出，使其鍍覆到靶材附近的工件表面上。離子鍍覆所利用的也是濺射效應(yīng)，但其目的不是加工而是鍍膜，以改善工件材料的表面性能。 鍍覆時將鍍膜材料置于靶上，一般使靶面與離子束方向成一角度接受離子束的轟擊，被鍍工件表面應(yīng)與濺射粒子運動方向相垂直，如圖2-10所示。離子鍍覆的膜層附著力強，鍍層組織

44、致密，可鍍材料廣泛，各種金屬、非金屬、合金、化合物、半導體、高熔點材料和某些合成材料等均可鍍覆。,圖2-10 離子鍍覆原理圖,3) 離子注入 用離子束轟擊工件表面，使離子鉆入被加工材料表面層，以改變表面層性能的方法稱為離子注入。 離子注入的應(yīng)用范圍很廣，如將離子強行注入金屬表面后，可改變表面層性能，且注入元素的種類和數(shù)量不受合金系統(tǒng)平衡相圖中固溶度限制，因而可以獲得一般冶金工藝無法得到的各種表面合金。,離子注入在半導體方面的應(yīng)用在國內(nèi)外都很普遍。它是把磷、硼等“雜質(zhì)”離子注入單晶硅中規(guī)定的區(qū)域及深度后，可以得到不同導電型的P型或N型半導體以及P-N結(jié)；也可用來制造一些通常用熱擴散難以獲得的各種

45、特殊要求的半導體器件。 離子注入改善金屬表面性能方面的應(yīng)用正在形成一個新興的領(lǐng)域。它還處于研究階段，因此生產(chǎn)效率低、成本高，對于一般光學元件或機械零件的表面改性，還要經(jīng)過一段時期的開發(fā)研究后才能實用。,2.3.4 高壓水射流加工技術(shù)的特點及應(yīng)用 高壓水射流基本原理歸之為：運用液體增壓原理，通過特定的裝置(增壓口或高壓泵),將動力源(電動機)的機械能轉(zhuǎn)換成壓力能，具有巨大壓力能的水則通過小孔噴嘴(又一換能裝置)，再將壓力能轉(zhuǎn)變成動能，從而形成高速射流(WJ)。因而其又常叫高速水射流。 高壓水射流系統(tǒng)如圖2-11所示，主要由增壓系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、增壓恒壓系統(tǒng)、噴嘴管路系統(tǒng)、數(shù)控工作臺系統(tǒng)、集水系統(tǒng)及

46、水循環(huán)處理系統(tǒng)等構(gòu)成。增壓系統(tǒng)的低壓油(1030MPa)推動大活塞往復移動，其方向由換向閥自動控制。,供水系統(tǒng)先對水進行凈化處理，并加入防銹添加劑等，然后由供水泵打出低壓水從單向閥進入高壓缸。增壓恒壓系統(tǒng)包括增壓器和蓄能器兩部分。增壓器獲得高壓的原理如圖2-12所示，即利用大活塞與小活塞面積之差來實現(xiàn)。理論上：A大P油=A小P水，P水=A大/A小P油，增壓比即大活塞與小活塞面積之比，通常為101251，由此，增壓器輸出高壓水壓力可達100750MPa。由于水在400MPa時其壓縮率達12%，因而活塞桿在走過其整個行程的1/8后才會有高壓水輸出?；钊竭_行程終端時，換向閥自動使油路改變方向(圖中

47、虛線箭頭所示)，進而推動大活塞反向行進，此時高壓水在另端輸出。如果將此高壓水直接送到噴嘴，那么噴嘴出來的射流壓力將會是脈動的，這會對管路系統(tǒng)產(chǎn)生周期性振蕩。為獲得穩(wěn)定的高壓水射流，常在增壓器和噴嘴回路之間設(shè)置一蓄能(恒壓)器，來消除水壓脈動(常能控制脈動量在5%之內(nèi))，達到恒壓之目的。,圖2-11 高壓水射流原理圖,圖2-12 增壓器獲得高壓源,高壓水射流切割是利用具有很高動能的高速射流進行的(有時又稱為高速水射流加工)，與激光、離子束、電子束一樣屬于高能束加工范疇。高壓水射流切割作為一項高新技術(shù)，在某種意義上講是切割領(lǐng)域的一次革命，有著十分廣闊的應(yīng)用前景，隨著技術(shù)的成熟及某些局限的克服，對其

48、它切割工藝是一種完美補充。目前，其用途和優(yōu)勢主要體現(xiàn)在難加工材料方面，如陶瓷、硬質(zhì)合金、高速鋼、模具鋼、淬火鋼、白口鑄鐵、鎢鉬鈷合金、耐熱合金、鈦合金、耐蝕合金、復合材料(FRM、FRP等)、鍛燒陶瓷、高速鋼(HRC30以下)、不銹鋼、高錳鋼、模具鋼和馬氏體鋼(HRC30)、高硅鑄鐵、可鍛鑄鐵等一般工程材料。高壓水射流除切割外，稍降低壓力或增大靶距和流量還可用于清洗、破碎、表面毛化和強化處理。目前，高壓水射流加工技術(shù)已在以下行業(yè)獲得成功應(yīng)用：汽車制造與修理、航空航天、機械加工、國防、軍工、兵器、電子電力、石油、采礦、輕工、建筑建材、核工業(yè)、化工、船舶、食品、醫(yī)療、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、市政工程等方面。,

49、2.3.5 高能束加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向 正是由于激光束加工、電子束加工和離子束加工的這些特點，使得高能束加工方法為實現(xiàn)產(chǎn)品元件的微細加工、精密和超精密加工提供了有利的手段，并在機械工業(yè)的某些領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。除焊接、切割、打孔和涂覆加工已在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用外，高能束加工技術(shù)在表面改性、微細加工和新材料制備等領(lǐng)域的開拓和應(yīng)用也方興未艾。特別是國防工業(yè)領(lǐng)域中，許多特殊功能材料的零件和新結(jié)構(gòu)的加工制造以及高技術(shù)領(lǐng)域中電子和微電子元器件的制造也非高能束加工莫屬。例如，把高能束加工的深穿透特點用于重型裝備厚壁結(jié)構(gòu)、壓力容器、運載工具、飛行器的焊接；,把精密控制微焦點的高能量密度的熱源用于微電子和精

50、密器件的制造，實現(xiàn)超大規(guī)模集成元件、航空航天航海儀表、陀螺、膜盒的制造和核動力裝置燃料棒的高質(zhì)量、高效率封裝；利用高束能加工技術(shù)的可控高速掃描(可達900m/s)，實現(xiàn)宇航動力裝置上氣膜冷卻小孔層板結(jié)構(gòu)的高效率、高質(zhì)量制造；利用高束能加工技術(shù)可以在真空、高壓條件下全方位加工的特點，實現(xiàn)在太空微重力條件下的焊接、釬焊、切割以及在深水(600m)高壓條件下的加工作業(yè)；利用高束能加工技術(shù)高速加熱和高速冷卻的特點，對金屬材料表面改性、非晶態(tài)化，制備特殊功能涂層和新型材料，包括金屬材料、非金屬復合材料、陶瓷材料、超細顆粒材料和超高純材料等。,2.4 超高速加工技術(shù),2.4.1 超高速加工技術(shù)的定義和產(chǎn)生

51、背景 超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠地實現(xiàn)高速運動的高精度、高自動化和高柔性的制造設(shè)備，以提高切削速度來達到提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的先進加工技術(shù)。,20世紀80年代，計算機控制的自動化生產(chǎn)技術(shù)的高速發(fā)展成為國際生產(chǎn)工程的突出特點，工業(yè)發(fā)達國家機床的數(shù)控化率已高達70%80%。隨著數(shù)控機床、加工中心和柔性制造系統(tǒng)在機械制造中的應(yīng)用，使機床空行程動作(如自動換刀、上下料等)的速度和零件生產(chǎn)過程的連續(xù)性大大加快，機械加工的輔助工時大為縮短。這使得切削工時占去了總工時的主要部分，因此，只有提高切削速度和進給速度等，才有可能在提高生產(chǎn)率方面出現(xiàn)一次新的飛躍和突破。這就是

52、超高速加工技術(shù)(Ultra High Speed Machining，UHSM)得以迅速發(fā)展的歷史背景。近幾十年來，切削加工的制造時間和費用的變化如圖2-13所示。,圖2-13 不同年代切削加工的制造時間及費用,提高生產(chǎn)率一直是機械制造領(lǐng)域十分關(guān)注并為之不懈奮斗的主要目標。超高速加工(UHSM)不但成倍提高了機床的生產(chǎn)效率，而且進一步改善了零件的加工精度和表面質(zhì)量，還能解決常規(guī)加工中某些特殊材料難以解決的加工問題。因此，超高速加工這一先進加工技術(shù)引起了世界各國工業(yè)界和學術(shù)界的高度重視。國內(nèi)外權(quán)威學者認為，如果把數(shù)控技術(shù)看成是現(xiàn)代制造技術(shù)的第一個里程碑，那么超高速加工技術(shù)就是現(xiàn)代制造技術(shù)的第二個

53、里程碑。高速超高速加工、精密超精密加工、高能束加工和自動化加工構(gòu)成了當今四大先進加工技術(shù)。,2.4.2 超高速加工技術(shù)的應(yīng)用 1航空航天工業(yè)領(lǐng)域 高速加工在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如大型整體結(jié)構(gòu)件、薄壁類零件、微孔槽類零件和葉輪葉片等。國外許多飛機及發(fā)動機制造廠已采用高速切削加工來制造飛機大梁、肋板、舵機殼體、雷達組件、熱敏感組件、鈦和鈦合金零件、鋁或鎂合金壓鑄件等航空零部件產(chǎn)品?，F(xiàn)代飛機構(gòu)件都采用整體加工技術(shù)，即直接在實體毛坯上進行高速切削，加工出高精度、高質(zhì)量的鋁合金或鈦合金等有色輕金屬及合金的構(gòu)件，而不再采用鉚接等工藝，從而可以提高生產(chǎn)效率，降低飛機重量。,2汽車工業(yè)領(lǐng)域 高速加工在汽車生

54、產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在模具和零件加工兩個方面。應(yīng)用高速切削加工技術(shù)可加工零件的范圍相當廣，其典型零件包括：伺服閥、各種泵和電機的殼體、電機轉(zhuǎn)子、汽缸體和模具等。汽車零件鑄模以及內(nèi)飾件注塑模的制造正逐漸采用高速加工。,3模具工具工業(yè)領(lǐng)域 采用高速切削可以直接由淬硬材料加工模具，省去了過去機加工到電加工的幾道工序，節(jié)約了工時。目前高速切削可以達到很高的表面質(zhì)量(Ra0.4m)，省去了電加工后表面研磨和拋光的工序。另外，切削形成的已加工表面的壓應(yīng)力狀態(tài)還會提高模具工件表面的耐磨程度(據(jù)統(tǒng)計，模具壽命因此能提高35倍)。這樣，鍛模和鑄模僅經(jīng)高速銑削就能完成加工。復雜曲面加工、高速粗加工和淬硬后高速精加

55、工很有發(fā)展前途，并有取代電火花加工和拋光加工的趨勢。,4超精密微細切削加工領(lǐng)域 在電路板上，有許多0.5mm左右的小孔，為了提高小直徑鉆頭的鉆刃切削速度，提高效率，目前普遍采用高速切削方式。日本的FANUC公司和電氣通信大學合作研制了超精密銑床，其主軸轉(zhuǎn)速達55000r/min，可用切削方法實現(xiàn)自由曲面的微細加工。據(jù)稱，生產(chǎn)率和相對精度均為目前光刻技術(shù)領(lǐng)域中的微細加工所不及。 高速切削的應(yīng)用范圍正在逐步擴大，不僅用于切削金屬等硬材料，也越來越多的用于切削軟材料，如橡膠、各種塑料、木頭等，經(jīng)高速切削后這些軟材料被加工表面極為光潔，比普通切削的加工效果好得多。,2.4.3 超高速機床的“零傳動”

56、在超高速運轉(zhuǎn)的條件下，傳統(tǒng)的齒輪變速和皮帶傳動方式已不能適應(yīng)要求，代之以寬調(diào)速交流變頻電機來實現(xiàn)數(shù)控機床主軸的變速，從而使機床主傳動的機械結(jié)構(gòu)大為簡化，形成一種新型的功能部件主軸單元。在超高速數(shù)控機床中，幾乎無一例外地采用了主軸電機與機床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式。即采用無外殼電機，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)，形成內(nèi)裝式電機主軸(build-inmotor spindle)，簡稱“電主軸”(elector spindle)。這樣，電機的轉(zhuǎn)子就是機床的主軸，機床主軸單元的殼體就是電機座，從而實現(xiàn)了變頻電機與機床主軸的一體化。由于它取消了從主電機到機床主

57、軸之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，把主傳動鏈的長度縮短為零，因此，我們稱這種新型的驅(qū)動與傳動方式為“零傳動”。,2.4.4 超高速加工技術(shù)的優(yōu)越性 1加工效率高 高速切削加工比常規(guī)切削加工的切削速度高510倍，進給速度隨切削速度的提高也可相應(yīng)提高510倍，這樣，單位時間材料切除率可提高36倍，因而零件加工時間通常可縮減到原來的1/3，從而提高了加工效率和設(shè)備利用率，縮短生產(chǎn)周期。,2切削力小 和常規(guī)切削加工相比，高速切削加工的切削力至少可降低30%，這對于加工剛性較差的零件(如細長軸、薄壁件)來說，可減少加工變形，提高零件加工精度。同時，采用高速切削時，單位功率材料切除率可提高40%以上，有利于延長刀

58、具使用壽命，通常刀具壽命可提高約70%。,3熱變形小 高速切削加工過程極為迅速，95%以上的切削熱來不及傳給工件，而被切屑迅速帶走，零件不會因溫升而導致彎翹或膨脹變形。因此，高速切削特別適合于加工容易發(fā)生熱變形的零件。 4加工精度高、加工質(zhì)量好 由于高速切削加工的切削力和切削熱影響小，使刀具和工件的變形小，保持了尺寸的精確性，另外，由于切屑被飛快地切離工件，切削力和切削熱影響小，因而使工件表面的殘余應(yīng)力小，達到較好的表面質(zhì)量。,5加工過程穩(wěn)定 高速旋轉(zhuǎn)刀具切削加工時的激振頻率高，已遠遠超出“機床工件刀具”系統(tǒng)的固有頻率范圍，不會造成工藝系統(tǒng)振動，使加工過程平穩(wěn)，有利于提高加工精度和表面質(zhì)量。

59、6減少后續(xù)加工工序 高速切削加工獲得的工件表面質(zhì)量幾乎可與磨削相比，因而可以直接作為最后一道精加工工序，實現(xiàn)高精度、低粗糙度加工。,7良好的技術(shù)經(jīng)濟效益 采用高速切削加工將能取得較好的技術(shù)經(jīng)濟效益，如縮短加工時間，提高生產(chǎn)率；可加工剛性差的零件；零件加工精度高、表面質(zhì)量好；提高了刀具耐用度和機床利用率；節(jié)省了換刀輔助時間和刀具刃磨費用等。,2.5 超精密加工技術(shù),2.5.1 超精密加工技術(shù)的發(fā)展 美國是開展超精密加工技術(shù)研究最早的國家，也是在這方面迄今處于世界領(lǐng)先地位的國家。早在20世紀50年代末，由于航天等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)，稱為“SPDT技術(shù)”(Single Point Diamond Turning)或“微英寸技術(shù)”(1微英寸0.025mm)，并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機床，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。,例如，美國LLL實驗室和Y12工廠在美國能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金剛石車床DTM3型，該機床可加工最大零件2100mm、重量4500kg的激光核聚變用的各種金屬反射鏡、紅外裝置用零件、大型天體望遠鏡(包括X光天體望遠鏡)等。該機床的加工精度可達到形狀誤差為28nm(半徑)，圓度和平面度為12.5nm，加工表面粗糙度為Ra 4.2nm。該